CN104975916B - 排气后处理系统及用于排气后处理的方法 - Google Patents

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Abstract

用于内燃机的排气后处理系统(2)，其具有布置在内燃机(1)下游的用于将含钙和/或含钠粉末引入到排气流中的装置(3)，以及具有布置在所述装置(3)下游的呈包含颗粒的移动床反应器或流化床反应器形式的分离器(4)。

Description

排气后处理系统及用于排气后处理的方法
技术领域
本发明涉及一种排气后处理系统。本发明还涉及一种用于排气后处理的方 法。
背景技术
在固定式内燃机(例如用于发电厂的固定式内燃机)的燃烧过程中，以及 在非固定式内燃机(例如用于船舶的非固定式内燃机)的燃烧过程中，产生硫 氧化物如SO2和SO3，其中这些硫氧化物通常形成于含硫化石燃料(如煤、矿 煤、褐煤、石油或重质燃料油)的燃烧期间。因此，这种内燃机被配备有排气 后处理系统，该系统特别用于离开内燃机的排气的脱硫。
对于排气脱硫，从现有技术主要已知的是吸附法，所述吸附法主要使用生 石灰(CaO)或消石灰(Ca(OH)2)或碳酸钙(CaCO3)作为吸附剂。在此过程 中，形成粉尘或颗粒，其中为了从排气中除去硫酸钙粉尘，必须在脱硫下游使 用过滤装置。
从DE 36 03 365C2中已知用于处理包含氮氧化物和粉尘的排气的方法以 及排气后处理系统。
发明内容
由此着手，本发明的目的是基于创建一种新型排气后处理系统和一种新型 排气后处理方法。
这一目的通过根据本发明的排气后处理系统来实现。
根据本发明的用于内燃机的排气后处理系统包括布置在内燃机下游用于将 含钙和/或含钠粉末引入到排气流中的装置，以及布置在该装置下游呈包含颗粒 的移动床反应器或流化床反应器形式的分离器。本发明提出一种能够使排气有 效脱硫的排气后处理系统。借助于分离器，脱硫期间产生的硫酸钙粉末和/或硫 酸钠粉末可以与排气有效分离。
根据有利的进一步发展，经由所述装置被引入到排气流中的含钙和/或含钠 粉末的粒度小于1mm，优选小于0.5mm，特别优选小于0.25mm，所述粉末的 钙和/或钠具有至少氧化阶段+1，其中所述含钙和/或含钠粉末优选包含CaO和/ 或Ca(OH)2和/或CaCO3和/或NaHCO3和/或Na2CO3。因此所述排气的特别有利 的脱硫是可能的。被引入到排气中的所述含钙和/或含钠粉末的相对小粒度有助 于将硫氧化物有效转化为硫酸钙和/或硫酸钠。作为吸附剂的具有相对小粒度的 含钙和/或含钠粉末提供了大的表面积用于所述吸附剂与硫氧化物的反应。
根据有利的进一步发展，移动床反应器或流化床反应器中的颗粒粒度为大 于2mm，优选大于3mm，特别优选大于4mm，其中所述颗粒优选为含钙或含 钠或含镁的并且包含CaO和/或Ca(OH)2和/或CaCO3和/或Na2CO3。
此外，可以使用堇青石、碳化硅、花岗岩、金属球(不锈钢)或Al2O3。
所述吸附剂与硫氧化物反应期间形成的硫酸钙粉末和/或硫酸钠粉末可以 经由所述颗粒被有效地从连接下游的移动床反应器或流化床反应器中分离出 来，并与所述颗粒一起从移动床反应器或流化床反应器中排出。
特别当使用含钙颗粒作为所述颗粒时，可以进一步改善根据本发明的排气 后处理系统中根据本发明的排气后处理。
由于当时含钙颗粒的所选的粒度，可以确保所述颗粒不与硫氧化物反应直 至中心，并且因此至少在核中还是由之后被硫酸钙外壳包围的未反应组分所组 成。颗粒从移动床反应器或流化床反应器排出后，然后将硫酸钙外壳与颗粒的 核分离开以便进一步利用所述颗粒的核。
根据更有利的进一步发展，用于SO2氧化的氧化催化转化器布置在内燃机 的下游且在用于将含钙和/或含钠粉末引入到排气流中的装置的上游。通过使用 将SO2氧化为SO3的氧化催化转化器，可以进一步改善排气的脱硫，因为相比 SO2，SO3与用作吸附剂的含钙和/或含钠粉末反应更快。
在排气增压内燃机的情况下，所述氧化催化转化器位于排气增压器的涡轮 的上游，其中用于引导含钙和/或含钠粉末的装置位于氧化催化转化器的下游。 通过存在于涡轮上游的相对高的温度和压力，有助于在氧化催化转化器中将SO2氧化为SO3。
根据更有利的进一步发展，排气后处理系统包括用于将NH3(尿素)或气 态NH3引入到排气中的装置，该装置布置在氧化催化转化器的下游。因此可以 进一步改善排气的脱硫。
本发明还涉及排气后处理方法，其中首先将含钙和/或含钠粉末引入到排气流中并随后经由包含颗粒的移动床反应器或流化床反应器之一传导所述排气流。
附图说明
由从属权利要求(subclaim)和以下说明书获得本发明的优选的进一步发 展。借助于附图更详细地解释本发明的示例性实施方案，而非限制于此。其显 示为：
图1：根据本发明的第一排气后处理系统的框图；
图2：根据本发明的第二排气后处理系统的框图；
图3：根据本发明的第三排气后处理系统的框图；以及
图4：根据本发明的第四排气后处理系统的框图。
本发明涉及用于内燃机的排气后处理系统，例如涉及用于发电厂中的固定 式内燃机或船舶上使用的非固定式内燃机。
图1示出了位于内燃机1下游的排气后处理系统2的第一示例性实施方案， 其中根据本发明的排气后处理系统2包括用于将含钙和/或含钠粉末引入到离开 内燃机1的排气中的装置3，因此相应地用于将含钙和含钠粉末引入到排气中的 装置3布置在内燃机1的下游。
此外，根据本发明的排气后处理系统2包括至少一个布置在用于引入含钙 和/或含钠粉末的装置3的下游的分离器，其中所述分离器4为包含颗粒的移动 床反应器或流化床反应器。
根据本发明的排气后处理系统2的用于将含钙和/或含钠粉末引入到内燃机 1的排气中的装置3将粒度小于1mm，优选小于0.5mm，特别优选小于0.25mm 的含钙和/或含钠粉末引入到排气中，其中所述含钙和/或含钠粉末的钙和/或钠具 有至少氧化阶段+1。优选地，含钙和/或含钠粉末包含CaO和/或Ca(OH)2和/或 CaCO3和/或NaHCO3和/或Na2CO3。
所述装置3可以将含钙和/或含钠粉末以与作为载气的空气形成气溶胶的干 燥形式或者以与作为溶剂的水形成乳液的湿润形式引入到排气流中。
将此种含钙和/或含钠粉末用作吸附剂以及上述经由装置3将含钙和/或含钠 粉末引入到排气中确保了用于使含钙和/或含钠粉末与内燃机1的排气中包含的 硫氧化物(即SO2和SO3)发生反应的大的表面积，由此可以将所述硫氧化物 有效地转化为硫酸钙CaSO4和/或硫酸钠Na2SO4。含钙和/或含钠粉末与SO2和 SO3的反应通常根据以下反应方程式来进行，即对于Ca(OH)2根据以下反应方程 式
对于CaCO3根据以下反应方程式
对于NaHCO3根据以下反应方程式
对于MgO根据以下反应方程式
通过经由分离器4上游的装置3将含钙和/或含钠粉末引入到排气中，形成 了粉末状硫酸钙CaSO4和/或硫酸钠Na2SO4，所述粉末状硫酸钙CaSO4和/或硫 酸钠Na2SO4可以与设计为移动床反应器或流化床反应器的分离器4的颗粒一起 被排出。
在移动床反应器或流化床反应器和这样的分离器4中，使用相比于经由装 置3引入到排气中的含钙和/或含钠粉末具有相对较大粒度的颗粒，即大于2 mm，优选大于3mm，特别优选大于4mm的粒度。
可以使用惰性颗粒作为此处的颗粒，所述颗粒与仍然存在于排气中的硫氧 化物反应。然而特别优选的是使用含钙、含钠、含镁的颗粒，该颗粒包含CaO 和/或Ca(OH)2和/或CaCO3和/或Na2CO3和/或NaHCO3和/或MgO。
特别地当含钙或含钠颗粒用作颗粒时，仍然存在于排气中的硫氧化物可以 与所述颗粒反应。由于上述颗粒的相对较大的粒度，硫氧化物没有反应直至中 心，而是在核中至少部分由还未与硫氧化物反应的组分所组成，该组分之后被 硫酸钙的外壳包围。
设计为移动床反应器或流化床反应器的分离器4优选地配有一个装置以将 移动床或流化床中的颗粒与经由所述颗粒截留的硫酸钙或硫酸钠分离，所述硫 酸钙或硫酸钠与颗粒一起从移动床反应器或流化床反应器中被排出。该装置可 以为例如滚筒式剥皮机(drum peeler)、转筒筛或碾磨机。随后可以使不含硫酸 钙的颗粒再次返回至移动床反应器或流化床反应器中从而由此形成颗粒回路和 更有效地利用所述颗粒。通过使用碾磨机将所述颗粒轻微地碾碎并添加在反应 器前部，由此可以获得更好的利用度。特别地当在移动床反应器或流化床反应 器中使用含钙或含钠或含镁颗粒时，这是有利的，其可与仍然存在于排气中的 硫氧化物反应。在这种情况下，然后颗粒的硫酸钙或硫酸钠或MgSO4外壳可以 与还未与硫氧化物反应的颗粒的核分离。
图2示出了本发明的进一步发展，其中根据本发明的排气后处理系统2还 包括氧化催化转化器5，根据图2所述氧化催化转化器5布置在内燃机1的下游 和用于将含钙和/或含钠粉末引入到内燃机的排气中的装置3的上游。
在氧化催化转化器5中，根据以下反应方程式，SO2反应为SO3
布置的氧化催化转化器5具有以下优势：在随后的经由组件3和4使排气 脱硫期间所形成的SO3与吸附剂反应更快，所述吸附剂即经由装置3被引入到 排气中的含钙和/或含钠粉末，并且如果适当，所述SO3与分离器4的含钙颗粒 反应更快。因为这一点，可以提高组件3和4中的脱硫效率。
在用于将SO2氧化为SO3的氧化催化转化器5中，优选使用以下化学元素 作为活性组分：V(钒)、K(钾)、Na(钠)、Fe(铁)、Ce(铈)和Cs(铯)， 其中所述组分钒(V)的量大于5％，优选大于7％，特别优选大于9％。氧化催 化转化器5利用TiO2(二氧化钛)和/或SiO2(二氧化硅)作为基底材料，在适 当的情况下通过WO3(氧化钨)来稳定。
图3示出了本发明的一种变体，其中内燃机1被实现为排气增压内燃机， 其中相应地排气后处理系统2包括排气增压器的涡轮6，其中使离开内燃机1 的排气膨胀以提取机械能。
在此类排气增压内燃机中，从排气的流动方向来看，氧化催化转化器5布 置在涡轮6的上游，其中用于将含钙和/或含钠粉末引入到排气中的装置3布置 在涡轮6的下游。
排气流中存在于涡轮6的上游的高压和高温有助于在氧化催化转化器5中 将SO2氧化为SO3。
优选地，在氧化催化转化器5中以此种方式将SO2氧化为SO3：在氧化催 化转化器的下游，排气中所有硫氧化物(SOX)中SO3组分的量为至少20％， 优选大于40％，特别优选大于60％。
根据本发明用于内燃机的排气后处理系统2的又一示例性实施方案由图4 示出，其中图4的排气后处理系统2正如图2的排气后处理系统2，包括氧化催 化转化器5、用于将含钙和/或含钠粉末引入到排气中的装置3、设计为移动床反 应器或流化床反应器的分离器4和另外地用于将气态NH3或NH3-前体物质引入 到排气中的装置7，其中用于将气态NH3引入到排气中的该装置7布置在氧化 催化转化器5的下游，以便相应地将NH3引入到氧化催化转化器5下游的内燃 机1的排气中。在此可以将NH3直接以气态形式引入到排气流中或者将NH3- 前体物质(举例来说，例如尿素)注入到排气流中，并且在排气流中使所述NH3- 前体物质蒸发为NH3。
对于图1-4所示的排气后处理系统2，可以使用布置为移动床反应器或流化 床反应器的多级分离器4，以便进行硫酸钙和/或硫酸钠的分离，其中特别地当 使用多级分离器时，在分离器4的各个级中使用不同粒度的颗粒。因此，在设 计为移动床反应器或流化床反应器的分离器4的各个级中，颗粒的粒度和/或颗 粒的类型彼此不同。
优选地，使用设计为错流式分离器(cross-flow separator)的分离器4。
根据本发明的排气后处理系统2能够使排气有效脱硫。对于借助于根据本 发明的排气后处理系统2使排气脱硫，首先将含钙和/或含钠粉末引入到内燃机 下游离开内燃机的排气中，并随后经由呈包含颗粒的移动床反应器或流化床反 应器形式的分离器传导所述排气。如图1-4相关描述，通过在将含钙和/或含钠 粉末引入到排气中的上游将SO2氧化为SO3以及在适当的情况下通过将NH3引 入到排气中，可以改善排气的脱硫。
参考图1-4相关的说明。
参考编号列表
1 内燃机
2 排气后处理系统
3 装置
4 分离器
5 氧化催化转化器
6 涡轮
7 装置

Claims (17)

1.用于内燃机的排气后处理系统（2），其具有布置在内燃机（1）下游的用于将含钙和/或含钠粉末引入到排气流中的装置（3），以及具有布置在所述装置（3）下游的呈包含颗粒的移动床反应器或流化床反应器形式的分离器（4），其特征在于经由所述装置（3）被引入到排气流中的含钙和/或含钠粉末的粒度为小于1 mm，所述移动床反应器或流化床反应器中颗粒的粒度为大于2 mm，且所述装置（3）将含钙和/或含钠粉末以作为气溶胶的干燥形式或作为乳液的湿润形式引入到排气流中。
2.根据权利要求1所述的排气后处理系统，其特征在于经由所述装置（3）被引入到排气流中的含钙和/或含钠粉末的粒度为小于0.5 mm。
3.根据权利要求1或2所述的排气后处理系统，其特征在于经由所述装置（3）被引入到排气流中的含钙和/或含钠粉末的钙和/或钠具有至少氧化级+1。
4.根据权利要求1或2所述的排气后处理系统，其特征在于经由所述装置（3）被引入到排气流中的含钙和/或含钠粉末包含CaO和/或Ca(OH)2和/或CaCO3和/或NaHCO3和/或Na2CO3和/或MgO。
5.根据权利要求1或2所述的排气后处理系统，其特征在于所述移动床反应器或流化床反应器中颗粒的粒度为大于3 mm。
6.根据权利要求1或2所述的排气后处理系统，其特征在于所述颗粒含有钙和/或钠和/或镁。
7.根据权利要求6所述的排气后处理系统，其特征在于所述颗粒包含CaO和/或Ca(OH)2和/或CaCO3和/或Na2CO3和/或NaHCO3和/或MgO。
8.根据权利要求1或2所述的排气后处理系统，其特征在于所述移动床反应器或流化床反应器被设计为多级，其中所述移动床反应器或流化床反应器中各个级中的颗粒的粒度彼此不同。
9.根据权利要求1或2所述的排气后处理系统，其特征在于所述移动床反应器或流化床反应器被设计为错流式分离器。
10.根据权利要求1或2所述的排气后处理系统，其特征在于用于SO2氧化的氧化催化转化器（5）布置在内燃机（1）的下游和用于将含钙和/或含钠粉末引入到排气流中的装置（3）的上游。
11.根据权利要求1或2所述的排气后处理系统，其特征在于用于将SO2氧化为SO3的氧化催化转化器（5）中，将以下化学元素用作活性组分：V（钒）、K（钾）、Na（钠）、Fe（铁）、Ce（铈）和Cs（铯），其中所述组分V（钒）的量为大于5%。
12.根据权利要求10所述的排气后处理系统，其特征在于所述氧化催化转化器（5）中以此种方式将SO2氧化为SO3：在氧化催化转化器的下游，所述排气中所有硫氧化物（SOX）中SO3组分的量为至少20%。
13.根据权利要求10所述的排气后处理系统，其特征在于使用排气增压内燃机，所述氧化催化转化器（5）位于排气增压器的涡轮（6）的上游，其中用于引入含钙和含钠粉末的装置（3）位于所述氧化催化转化器（5）的下游。
14.根据权利要求10所述的排气后处理系统，其特征在于用于将气态NH3引入到排气流中的装置（7）布置在氧化催化转化器（5）的上游。
15.根据权利要求1或2所述的排气后处理系统，其特征在于配置给移动床反应器或流化床反应器的分离装置，所述分离装置用于将CaSO4和/或Na2SO4与和颗粒一起从移动床反应器或流化床反应器分离出的颗粒分离，并用于使与CaSO4和/或Na2SO4分离的颗粒返回至移动床反应器或流化床反应器中。
16.根据权利要求1或2所述的排气后处理系统，其特征在于将所述颗粒轻微地碾碎并计量加入反应器的前部。
17.用于离开内燃机的排气的排气后处理方法，其中首先将含钙和/或含钠粉末引入到排气流中并随后经由包含颗粒的移动床反应器或流化床反应器之一传导所述排气流，其特征在于所述方法借助于根据权利要求1-16任一项所述的排气后处理系统来进行。
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